基于人工智能的高精度多點(diǎn)在線式氨逃逸監(jiān)測系統(tǒng)的研究

摘要：本文研究應(yīng)用人工智能技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控火電企業(yè)的SCR凈化脫硝系統(tǒng)，通過氨逃逸的精準(zhǔn)感應(yīng)保障設(shè)備安全穩(wěn)定的運(yùn)行。針對目前國內(nèi)火電廠粉塵含量高、氨逃逸分布不均等問題，本文設(shè)計(jì)一種基于人工智能的高精度多點(diǎn)在線式氨逃逸監(jiān)測系統(tǒng)的，綜合測量技術(shù)、仿真技術(shù)和先進(jìn)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：多點(diǎn)在線式;氨逃逸;PIMs技術(shù);TDLAS技術(shù);模糊控制

火電企業(yè)是煙塵、二氧化硫和氮氧化物等大氣污染物的主要排放源，隨著《火電大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011）的實(shí)施，滿足環(huán)保排放要求成為火電企業(yè)運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

針對越來越嚴(yán)格的環(huán)保約束，“超低排放”理念得到火電企業(yè)的普遍認(rèn)同。為實(shí)現(xiàn)“超低排放”，火電企業(yè)采用多種污染物高效脫除技術(shù)，探索研發(fā)先進(jìn)減排技術(shù)。

1 現(xiàn)狀分析

對于燃煤發(fā)電的火電企業(yè)，生產(chǎn)過程中的逃逸氨極易與煙塵中存在的SO3進(jìn)行反應(yīng)生成ABS （NH4HSO4），長期累積在空預(yù)器中就會(huì)發(fā)生堵塞。因此，嚴(yán)密監(jiān)測逃逸氨濃度至關(guān)重要，但是傳統(tǒng)監(jiān)測手段通常存在以下這些難點(diǎn)和弊端：

（1）環(huán)境煙塵濃度高，引發(fā)激光氣體分析儀的激光不能夠穿透整個(gè)煙道，進(jìn)而導(dǎo)致檢測中斷。

（2）燃煤電廠的SO3含量過高，會(huì)導(dǎo)致在采樣環(huán)節(jié)上任何細(xì)小位置產(chǎn)生ABS，進(jìn)而導(dǎo)致氨氣損失甚至完全消失。

（3）氨逃逸檢測靈敏度不夠，氨逃逸本身含量很低，基本上很難檢測到3ppm以下的氨逃逸。

（4）氨逃逸分析儀的校正問題，用戶不容易獲得準(zhǔn)確的低濃度氨氣標(biāo)準(zhǔn)氣體，現(xiàn)場定期標(biāo)定正非常困難。

（5）逃逸氨在煙氣中分布不均，造成空預(yù)器堵塞。

2 基于PIMs和TDLAS技術(shù)的高精度氨逃逸多點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)

基于PIMs（偽原位檢測Pseudo In-Situ Measurement）技術(shù)的多點(diǎn)在線式氨逃逸監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)致力于解決我國火電廠監(jiān)測系統(tǒng)中普遍存在的痛點(diǎn)難點(diǎn)，經(jīng)過數(shù)以千計(jì)的模擬測試、數(shù)百家火電廠的實(shí)地測試驗(yàn)證以及五次系統(tǒng)版本的更新迭代后，PIMs系統(tǒng)驗(yàn)證穩(wěn)定可靠，能夠徹底解決以往在氨逃逸監(jiān)測方面的諸多難點(diǎn)。

2.1源自PIMs技術(shù)氨逃逸檢測單元

PIMs技術(shù)的核心設(shè)計(jì)在于多次反射光學(xué)檢測池與鏡片充分隔離，這樣保證了鏡片獨(dú)立工作不受煙塵污染，有效避免多次反射池的溫度/壓力傳感信號變化，確保經(jīng)過多次反射后的光束依然精準(zhǔn)不偏移。示意圖如圖1。

基于PIMs技術(shù)的氨逃逸檢測單元設(shè)計(jì)獨(dú)特，氨逃逸檢測單元能夠安裝在煙道，煙氣通過光纜/同軸電纜（沒有傳統(tǒng)采樣管線）與分析小屋的多通道氣體分析儀連接，分析儀監(jiān)測氣體中特定光譜強(qiáng)度變化，計(jì)算出逃逸氨的濃度。多通道分析儀主機(jī)可以連接多個(gè)基于PIMs技術(shù)的氨逃逸檢測單元組成高精度多點(diǎn)氨逃逸監(jiān)測系統(tǒng)。

基于PIMs技術(shù)的氨逃逸檢測系統(tǒng)的另一個(gè)核心技術(shù)是整套系統(tǒng)的自動(dòng)標(biāo)定技術(shù)，傳統(tǒng)裝置為了保證檢測準(zhǔn)確性需要定時(shí)用氨氣標(biāo)準(zhǔn)氣體對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，而PIMs系統(tǒng)則巧妙地在激光光譜分析儀內(nèi)置了密封的氨氣標(biāo)準(zhǔn)氣體，用戶使用分析儀的lasIRview軟件就能設(shè)定系統(tǒng)的零點(diǎn)（ Zero）和跨度（Span）來自動(dòng)標(biāo)定。

圖2是用戶利用內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)氨氣來進(jìn)行的零點(diǎn)和跨度考核數(shù)據(jù)的示意圖。

2.2 TDLAS技術(shù)

TDLAS（Tunable Diode LaserAbsorption Spectroscopy可調(diào)式二極管激光吸收光譜）的原理是通過選擇性吸收特定波長的光譜來得到氣體的吸收光譜，使用朗伯一比爾（Lambert Beer）定律來定量計(jì)算氣體濃度：

I=I0 exp （-σcL）

I：被吸收后的光強(qiáng)度

I0：吸收前的光強(qiáng)度

σ：吸收截面

c：吸收物質(zhì)的濃度

1：光程路徑長度

TDLAS技術(shù)核心是利用激光極精細(xì)的光源寬度對單一氣體吸收峰做窄帶的高頻掃描，因?yàn)榧す獾墓庾V寬度可以精確到O.OOOlnm，利用電流和溫度調(diào)控就可以在非常小的光譜范圍內(nèi)對單一吸收峰進(jìn)行高頻測試，獲得極高的測試精度和極低的背景干擾，可以認(rèn)為是完全不受其他氣體影響的檢測技術(shù)。

3 噴氨優(yōu)化控制策略

采用“兩級串級+預(yù)測模型+模糊控制”復(fù)合控制系統(tǒng)。

3.1 串級控制

主被控參數(shù)：以SCR出口NOx濃度作為被調(diào)節(jié)量;

副被控參數(shù)：以氨氣流量作為被調(diào)節(jié)量。

3.2 預(yù)測模型

監(jiān)測系統(tǒng)從鍋爐、SCR等處獲取輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)煙氣入口NOx量的計(jì)算模型準(zhǔn)確計(jì)算預(yù)知出入口NOx量，克服大時(shí)延的問題;同時(shí)又用NOx測量結(jié)果對預(yù)測模型修正擬合。計(jì)算公式如下：

3.3 模糊控制

利用模糊控制器調(diào)整PID設(shè)定值，將SCR出口NOx濃度控制在一定范圍內(nèi)，降低氨逃逸，提高控制品質(zhì)。

模糊控制器的輸入量為出口NOx濃度測量值與設(shè)定值的偏差e及其偏差變化率ec，輸出量為氨氮比調(diào)整值△k。

根據(jù)對影響因素的相關(guān)性分析結(jié)果以及專家的分析判斷，可以得出具體的模糊規(guī)則表。由模糊控制器根據(jù)實(shí)際輸入量進(jìn)行查表及計(jì)算，并輸出氨氮比調(diào)整值A(chǔ)k。

模糊規(guī)則表見表1，模糊向量表見表2。

4 相關(guān)應(yīng)用

（1）基于人工智能的氨逃逸監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)實(shí)場景應(yīng)用，如圖3所示。

（2）基于PIMs技術(shù)的氨逃逸檢測單元如圖4所示。

5總結(jié)

SCR脫硝工藝中的氨逃逸檢測實(shí)際上是一個(gè)世界性的難題，尤其對于中國電廠的高粉塵工況下的煙氣。綜上所述，基于PIMs技術(shù)和TDLAS技術(shù)的高精度氨逃逸監(jiān)測系統(tǒng)是在國內(nèi)外大量傳統(tǒng)氨逃逸分析儀在高粉塵工況下不能正常工作的現(xiàn)實(shí)情況下開發(fā)成功的，它保留了TDLAS的技術(shù)優(yōu)勢，用氨逃逸檢測單元替代傳統(tǒng)的原位對射光學(xué)端（in-situ），并且充分利用了TDLAS的光纖分布優(yōu)勢，組成了一套高精度多點(diǎn)氨逃逸監(jiān)測系統(tǒng)，徹底解決了火電廠在線氨逃逸檢測系統(tǒng)普遍存在的震蕩、跟蹤慢、過調(diào)問題，大大提高了火電機(jī)組運(yùn)行過程的工作效率和環(huán)保性。

參考文獻(xiàn)

[1]苗祎鹓，基于PIMs技術(shù)的多點(diǎn)在線式氨逃逸檢測系統(tǒng)在燃煤電廠的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019 （24）：34-35..

[2]欒輝，王若堯，唐智和，鄒誠誠，鞠峰，煙氣氨法脫硫氨逃逸情況監(jiān)測與評價(jià)[J].油氣田環(huán)境保護(hù)，2019，29 （06）：53-56+60+66.

[3]吳曄，燃煤電廠氨逃逸在線監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀及設(shè)備選型建議[J].科技資訊，2019，17 （32）：55-56.

[4]吳曄，張東平，王大釗，王偉，基于TDLAS多點(diǎn)氨逃逸測試系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化[J].化學(xué)工程與裝備，2019 （04）：286-288.

[5]游松林，羅洪輝，王振，姚勇琪，劉秀如，孫漪清，陳鋒，燃煤電廠SCR脫硝系統(tǒng)氨逃逸率控制技術(shù)研究[J].華電技術(shù)，2019，41 （02）：55-59.

[6]李超，張楊，朱躍，燃煤電廠SCR煙氣脫硝氨逃逸在線監(jiān)測應(yīng)用現(xiàn)狀分析[J].發(fā)電與空調(diào)，201 7，38 （05）：41-44.

[7]盛青.電廠煙氣脫硫脫硝監(jiān)測與氨逃逸量檢測分析[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2017 （04）：5 3+56.

[8]蔡躍東，氨逃逸測量原理的分析及應(yīng)用[J].熱電技術(shù)，2016，2：9-11.

作者簡介

張真龍（1981-），男，土家族，貴州省銅仁市人。大學(xué)本科學(xué)歷，工程師。目前從事燃煤電廠工程技術(shù)（動(dòng)力工程）方面的研究。